一种新型线性调节器的鲁棒性频率补偿设计[EDA/IC设计]

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一种新型线性调节器的鲁棒性频率补偿设计

发布时间:2005年9月3日点击次数:481

来源:电子设计应用作者:成都电子科技大学IC设计中心郑尧张波李强

要：本文在对线性调节器应用电路和外接电容特性进行分析的基础上,研究了线性调节器的鲁棒性设计,提出了一种不用电容的新型鲁棒性频率补偿方法,大幅降低了芯片面积。频率响应和瞬态响应的仿真结果表明,该方法保证了线性调节器的稳定性,也明显改善了频率响应特性。

IC设计工程师须从电路设计工程师的角度出发,考虑他们在选择线性调节器时所关心的参数。传统的线性调节器应用电路中需要外接输出电容来保持电路的稳定性。如果希望电路设计工程师在不关心线性调节器的内部电路的情况下,能够根据自己的需要,随意接入外部电容或不接时,都不会影响线性调节器的稳定性,那么就要求线性调节器的设计具备较好的鲁棒性。

1负电源线性调节器

2 密勒补偿电路

3频率补偿设计新架构

4 轻负载时的稳定性仿真

5 重负载时的稳定性仿真

6瞬态特性仿真

NPN达林顿型的线性调节器如图所示。其中,为输出电容,为旁路电容,为误差放大器和功率调整管之间的寄生电容,为的寄生串联电阻,为误差放大器的输出等效电阻。为输出级的输出等效电阻。电路零极点可以分析如下：

P1由和决定,第二极点由和决定,第三极点由和决定。系统的零点是由和其决定的,而会随着制造工艺、温度、电压和频率的影响而变化,一般在之间。

Co,使和相消去,并使对应的频率下降到。进一步考虑,还会随着负载的变化而变化,从而影响极点的位置。而且的提高会造成很危险的情况,单位增益带宽会变宽,使高频极点对系统稳定性产生不良影响。

PCB电路设计工程师应该了解电容类型和大小,以确保选择合适的补偿电容,否则可能发生电路不稳定的情况。

Co而言,电路设计工程师可以选择三种外接电容：铝电解电容、陶瓷电容和钽电容。在室温下,铝电解电容的有一个稳定的值,但是当温度变低时,变化剧烈,呈指数上升。典型的4.7m的陶瓷电容有大约的,因此陶瓷电容做时,就不能采用经典的补偿方式。钽电容的值大约在之间,适合于做。但是,在上世纪年代晚期,由于新的陶瓷材料的发展使制作低压陶瓷电容成为可能,陶瓷电容在的领域里,无论在尺寸、成本、电气性能上均超过了钽电容,成为最佳选择。

Co的来补偿的方式需要改变。

Co的产生的零点来进行电路的补偿,则系统将会有两个低频极点,必然导致系统的不稳定,其极点表示如下：

2所示。

Ccom进行密勒补偿,将会产生一个零点。零点将会产生两个不稳定的因素：它会像极点一样提高相移,同时又会像零点一样提高增益幅度,限制增益带宽。如果采用双极型工艺,则零点将不会对系统有严重影响,而对于工艺,则要仔细考虑该问题。简单地,可以串入一个电阻,来消除零点。

Ccom会使芯片的面积变大,单片的制造成本上升。

3所示。

P2,将其推向高频,使其频率大于单位增益带宽频率,可以确保电路的稳定性。

A点和点连接起来,可形成一个新的负反馈回路。其中bQ的发射极面积的大小来控制此回路电流。如果此支路中电流变大,则稳定性增强,但调节电路的精度降低,反之亦然。

P不会受影响,而对于2,由于1和3的输出电阻01和03较大,所以有

rQ的输入电阻,由于点电位被钳制,成为交流地,则有,即oa降低,2被推向高频,使系统稳定性变好。

g为输出级的跨导,因此可知o越大,则R较小,所以,当o较大时,即重负载时,此方法对极点的影响应该越明显。

SPICE环境中,分别对电路进行了轻负载时的稳定性、重负载时的稳定性和瞬态特性的仿真。

1mA,即轻负载时,环路增益及相位裕度仿真如图所示。从仿真结果可以看出其相位裕度为Ｖち讼低澄榷ā

100mA,即重负载时,环路增益及相位裕度仿真如图所示。从仿真结果可以看出其相位裕度为Ｖち讼低澄榷āＫ淙皇涑龅缌鞯谋浠筆产生了较大的移动,但是没有影响系统的稳定性。

ESR将在负载电流瞬态变化时产生压降,所以外接一个几乎为零的陶瓷电容,可使电路的瞬态特性得到改善。另外,新的环路的产生也使调节器能够更快地响应负载电流的瞬态变化。图为瞬态特性仿真图。

PCB电路设计工程师无须考虑内部的电路结构,不需要采用o+ESR补偿的方式,而且不用考虑b的受制造工艺、温度、电压和频率的影响,就可以确保电路稳定,即鲁棒性;

C,缩小了板的面积;

ESR较低的陶瓷电容做外接电容,而且内部产生了新的响应环路,改善了瞬态特性;

John Wiley & Sons . Inc,

John Wiley & Sons Inc ,1984.

P E, 霍尔伯格模拟电路设计第二版北京：电子工业出版社

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